編輯推薦：去合金可在金屬中產生空隙，從而減輕材料的重量。 然而，當固體分數低於約30％時，機械效能迅速降低。 本文發現的兩階段去合金步驟可以製造固體分數低至12％的Ag-Au合金。 出乎意料的是，該過程不會降低機械效能，同時允許合成大塊樣品。 該策略應適用於其他合金系統，為製備高強輕質的材料提供途徑。

分層結構，可以增強材料和體系的力學效能。珍珠層或搪瓷的斷裂韌性，以及人造的微尺度網狀結構，都證明了這一點。奈米尺度結構有望進一步強化，但以這種方式構建的宏觀體，包含了大量的支柱，需要可擴充套件的製備方案。

近日，來自德國的科研人員報道了由去合金的自組裝途徑製備的宏觀分層網路奈米材料。相關論文以題為“Scaling behavior of stiffness and strength of hierarchical network nanomaterials”發表在《Science》上。

論文連結：

https://science.sciencemag.org/content/371/6533/1026

分層結構具有多種相關的長度尺度，在自然界、工程學和社會中普遍存在。分層結構的一個重要用途是最佳化機械行為，同時滿足材料類別、質量密度或製造成本的邊界條件。眾所周知，大自然利用分層最佳化珍珠層、骨骼和牙釉質的斷裂韌性。透過開發現代三維(3D)製造技術，這種方法已經轉移到微尺度。建築桁架結構已被證明具有極低的密度，高比強度和高回彈性。

由於利用了金屬奈米結構的高強度，將桁架結構的尺寸控制在奈米範圍內被認為是有益的。使用尺寸為10奈米的支板，意味著一立方毫米有1014個支板。與3D製造不同，製造如此多的微觀結構元素需要自組織過程，這是材料科學中微觀結構演化的特徵。換句話說，透過可擴充套件的材料製備路線來製造真正的奈米尺度的開放網路結構，從而產生宏觀實體是一個非常有趣的領域。由旋結分解或膠體結晶形成的微米尺度的微觀結構可以作為薄殼的模板，提供一維(即殼層厚度)為奈米尺度的宏觀物體。然而，儘管這些方法證明了自然自組織過程的多功能性，但它們還沒有達到分層結構。不同的途徑可以導致奈米多孔金屬的分層結構，但均質宏觀體是例外，這類材料有趣的力學效能仍有待證明。

去合金是通往分層網格材料的途徑之一，特別是具有嚴格架構的結構，以兩個幾何上相似的網路形式巢狀在兩個定義明確、明顯不同的長度尺度上。然而，宏觀缺陷阻礙了對這些材料力學行為的研究。去合金可以將實體積分數（ϕ）在單位長度尺度網路中降低至~0.25。減小ϕ需要增加支柱的展寬比，然而長細支柱往往趨向Plateau-Rayleigh不穩定。這個問題通常與奈米材料相關，它特別適用於由擴散驅動的自組織產生的金屬奈米結構，這是去合金過程中的主動過程。因此，當ϕ小於~0.3時，去合金網路材料的連通性變差，剛度和強度也變差。這一發現為奈米分層結構材料的開發提供了動力。為了在穩定結構中達到較低的ϕ，任何給定層次上的短而厚支柱，都可以被構建成由一組小得多的支柱組成的網路，這些小支柱在較低的結構層次上，也是短而厚(因此穩定)。透過這種方式，自組織(因此可擴充套件)過程可以構建具有良好連線性、高強度和剛度、低密度(因此輕量級)奈米級(因此強大)網路。

在此，研究者報道了一種可擴充套件和可控制備、沒有宏觀缺陷的巢狀網路奈米孔金(N3PG)宏觀整體的去合金方法。在給定的固相分數下層次結構提供了增強的強度和剛度，並透過去合金降低了固相分數。力學和原子模擬支援了這些觀測結果。揭示了在奈米網路結構中分層結構的系統性優點，該材料可以作為未來輕型結構材料的原型。

圖1 N3PG的製備及微觀結構表徵。

圖2 不同固相組分N3PG的單軸宏觀壓縮

圖3 不同層數的NPG剛度和強度隨固相分數的尺度行為。

研究者確定了有效的宏觀強度與固相分數的關係(圖3B)。所有的樣本都具有相同的低水平支撐尺寸，L1 = 15 nm，在該大小下σ0(區域性支板強度)的值為2.3 GPa。正如在剛度方面所發現的，來自不同文獻的非分級NPG強度資料是相當一致的。

圖4 尺寸對N3PG力學效能的影響。

圖5 變形實驗與MD模擬結果的比較。

圖6 變形過程中小角度干涉函式的變化。

綜上，研究者探索了納米尺度網格材料的力學行為，其特徵是在兩個不同的長度尺度上具有自相似幾何結構的層次結構。由去合金製成的宏觀試樣，包含1012個杆的數量級，比網狀結構的數量級還要大。研究者認為，分層結構可以減輕奈米尺度自組織過程中固有的連線性損失，從而形成網格奈米材料。

該研究結果表明，儘管微觀結構具有自相似性，但不同層次結構的載入方式和變形行為通常是不同的。材料的強度是透過其較低層次的奈米尺度支柱來增強的，這利用了已建立的奈米結構的尺寸依賴性強化。

分層結構可以增強材料的功能行為，特別是當涉及到傳輸現象。無論材料作為功能材料或結構材料都需要了解其力學效能。本工作建立的方法為未來輕量化奈米材料提供了機會，增強了低固相分數下的力學行為。（文：水生）